Um die möglichen Segnungen der Nanotechnik wird derzeit viel Aufhebens gemacht. Keine Woche vergeht, in der nicht die baldige Ankunft unerhört leistungsfähiger Computerchips oder medizinischer Nanogeräte aus ungewöhnlichen Molekülen beschworen wird. Die meisten der künftigen Wunderwerke haben jedoch einen kleinen Schönheitsfehler: Sie existieren nur als winzige Laborprototypen, die mit komplizierten Werkzeugen maßgefertigt werden müssen. Wie man viele von ihnen präzise und schnell zu einem makroskopischen Objekt zusammenfügen soll, davon haben Forscher bislang nur eine verschwommene Vorstellung.

Die Natur kann es besser: Seit Urzeiten baut sie meisterhaft Atome und Moleküle zu ausgefeilten Zellapparaten, ja zu ganzen Organismen zusammen. Oder auch zu Materialien mit verblüffenden Eigenschaften, wie ein Spaziergang am Strand zeigt. Muschelschalen bestehen zu 98 Prozent aus Kalk. "Und doch sind sie 3000-mal so hart wie ihr geologisches Material, obwohl sie im Ozean entstehen, bei ganz gewöhnlichen Temperaturen und ohne den Zusatz irgendwelcher toxischen Stoffe", sagt Angela Belcher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) begeistert. Es waren die langen Gehäuse der Abalone-Meeresschnecken an der kalifornischen Küste in Santa Barbara, die die Chemikerin Mitte der neunziger Jahre zum ersten Mal über die Ingenieurskunst der Natur sinnieren ließen. Seit ihrer Doktorarbeit kennt sie den Grund für deren Härte: "Abalone hat über Millionen von Jahren die Fähigkeit entwickelt, mit Hilfe von Proteinen den Kalk auf der Nanoskala zu einer neuen Struktur anzuordnen." Wie Mörtel halten Proteine geschichtete Kalkplättchen von wenigen Nanometer – millionstel Millimeter – Dicke zusammen.

Diese Erkenntnis war die Initialzündung für ein Forschungsprogramm, das die 35-jährige Amerikanerin in die erste Liga der internationalen Nanoforschung und auf das Titelblatt von Forbes katapultierte. Denn Belcher hat ein Verfahren entwickelt, bei dem Viren lange, wenige Nanometer dicke Drähte produzieren – eine entscheidende Voraussetzung für die extrem kleinen Schaltkreise künftiger Rechner. Noch werden diese mit Hilfe von Belichtungs- und Ätztechniken in vergleichsweise große Siliziumblöcke hineingeschnitten. Doch diese Technik wird in spätestens zehn Jahren eine physikalische Grenze erreichen, die keine weitere Verkleinerung zulässt. Belchers Methode geht den umgekehrten Weg: Hier wird zum ersten Mal das Material aus einzelnen Atomen mit biologischen Mitteln zusammengesetzt. "Im letzten Jahrhundert hat die Festkörperphysik die Computerwelt und die Mikroelektronik revolutioniert. Die Revolution dieses Jahrhunderts wird das Ausnutzen der Molekularbiologie sein, so wie es Angela Belcher macht", urteilt Douglas Lauffenburger, Bio-Ingenieur am MIT.

Die Frage, mit der alles anfing, lautete: Was wäre, wenn man Proteine nicht wie bei der Schichtung von Muschelschalen mit Kalkplättchen, sondern mit Halbleiterkristallen zusammenbrächte? Da gibt es ein Problem, sagt Belcher: "Man benötigt eine Wechselwirkung mit Materialien, für die die Natur im Lauf der Evolution keine Mechanismen entwickelt hat." Belchers Lösungsidee war ebenso vermessen wie naheliegend: Man hilft der Evolution eben nach.

Die künstliche Evolution dauert etwa eine Woche

Sie griff zu einem Verfahren, mit dem in der Pharmaindustrie seit längerem nach neuen Wirkstoffen für Medikamente gefahndet wird. Dabei werden so genannte Bakteriophagen, also Viren, die ausschließlich Bakterien befallen, als Sonden benutzt. Vervielfältigt man sie in einer Petrischale, bilden sie an ihrer Außenhaut diverse Proteine aus. Wenn die Phagen mit Krankheitserregern in Kontakt gebracht werden, verbindet sich meist irgendeines der vielen Proteine mit dem Erreger. Durch diese Bindung wird der Keim in seiner Wirkung blockiert – ein Hinweis darauf, dass das entsprechende Protein die Grundlage für ein neues Medikament sein könnte. Diese Suchtechnik wird "Phage Display" genannt.

Solch einen nützlichen Bakteriophagen knöpfte sich Angela Belcher 1999 zum ersten Mal vor. Das schlauchartige Virus ist etwa 880 Nanometer lang und hat eine Hülle aus 2700 Proteinmolekülen. Am Schwanzende kann es unter gewissen Umständen zusätzliche Proteine ausbilden, die wie kurze Fäden aus der Hülle heraushängen. Die Fäden sind das Produkt des dritten der wenigen Gene, die dieser Phage im Innern seiner Hülle birgt. In dieses Schwanzentwicklungs-Gen fügten Belcher und ihre Kollegen beliebige kurze DNA-Stücke ein und vervielfältigten den Phagen. Sie führten also Mutationen herbei. "Auf diese Weise erhält man in einer Mikroliterprobe etwa eine Milliarde Viren, die sich nur in einem Protein am Schwanzende unterscheiden", erläutert Belcher.

Der umfangreiche Phagen-Zoo war das Ausgangsmaterial für eine künstliche Evolution, die etwas mehr als eine Woche dauerte. In dieser Zeit trafen zum ersten Mal das Biomaterial und die leblosen Chipsubstanzen zusammen. Die erste Generation der Mutanten wurde auf einen Kristall aus Galliumarsenid gesetzt, einem Halbleiter, der häufig in der Mikroelektronik verwendet wird. Die meisten Mutationen hatten ein Schwanzprotein entwickelt, das chemisch nicht mit dem Halbleiter reagiert. Diese Viren ließen sich wegwaschen. Ein paar hatten sich jedoch tatsächlich auf dem Galliumarsenid festgesetzt. Sie wurden nun erneut in einer Zellkultur vermehrt, wobei weitere Mutationen auftraten. Mit dieser neuen Generation wiederholten Belcher und ihr Team die Prozedur. Nach mehreren Durchgängen hatten sie einen Phagen gezüchtet, der regelrecht wild auf Galliumarsenid war. "Das ist eine Art Darwinscher Prozess: Wir suchen solche Viren, die unter Bedingungen überleben, die für uns interessant sind", charakterisiert Belcher das Verfahren.